CN1077038A - 自动增益控制回路 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于因激光扫描系统中为了接收 由条形码反射的光而使用了接收机，所以提供高速自 动增益控制(AGC)回路用于动态调整接收机的增 益。

本AGC回路除检测接收机的末级输出之外，还 包含有附加的反馈电路，它接在末级放大器的前一级 放大器的输出上。能检测末端放大级前面的放大器 的输出信号，从而改善自动调整增益的速度，即第2 反馈电路。

使用本发明的自动增益控制回路的扫描系统可 以不必进行多次扫描而得到条形码的译码。

Description

本发明涉及读取条型码用的激光扫描系统，具体的说是涉及自动增益控制回路，它能动态地自动调整接收机的增益，这种接收机是用来接收由条型码反射的光线。

迄今为止如美国专利4，496，831号所展示的，典型的条形码读取系统一般包含光源、光学系统及检测装置几个部分。光学系统包括聚焦透镜，用于对光源发出的光束进行聚焦并瞄准条型码进行扫描;检测装置用于检测由扫描目标条型码反射回来的光线。光源通常是半导体激光二极管。光源产生的光束，通过光学系统聚焦后射在扫描目标上。在装置的扫描头部光路内安装的扫描设备至少具备有一个扫描电机，它使激光光束扫射在条型码上。为了使光束通过出口孔瞄准记号，光反射镜安装在电动机的轴上。读取装置检测由记号反射的光线并进行处理，它是由半导体光电二极管那样的感光元件构成。检测的光变换成电信号后输给接收机，由接收机放大、处理并译码。

现有的激光扫描装置中，为了对接收机的总增益进行动态调整，使用自动增益控制（“AGC”）。若在激光扫描装置中使用AGC的话，即使在激光扫描装置的接收机增益固定的情况下，对放在较远距离的记号也能译码。

现有的激光扫描装置中使用的AGC回路，为了正确的调整接收机的总增益，必须进行多次扫描。这是由于AGC的反应时间决定于以下各种因素，即受扫描目标条型码记号的形态、条型码记号与扫描器的距离以及扫描器视野内存在的周围光线的强度等因素决定的。AGC的反应时间依赖于周围光线条件及扫描的条型码记号，例如从几百毫秒，到在极端的情况下也可能长达几秒钟的范围内。这样长的AGC反应时间，在百货商场是可以见到的，会计员为了对商品上的条型码记号进行译码，使用手持式激光扫描枪的情况就是这样的。多数情况下，会计员为了得到正确的译码，在同一记号上不得不进行反复多次扫描。

使用于条型码扫描装置中的典型的AGC是根据监视，调整接收机的输出信号的峰平均值来控制接收机的增益。从接收机的输入到输出为了得到大的总增益，安装有几个分离的串联在一起的放大器。

AGC回路感受到接收机的终端输出，并调整接收机前置放大级中的一个放大器的增益。实际上，由接收机的输出到可调整增益的一个放大器之间通过AGC回路形成反馈电路。由于这一反馈电路，不论输入信号的振幅如何变动，接收机的输出均可以调整为一定的值。

由于AGC回路检测峰值并对输出信号进行滤波，可以得到与接收信号的平均峰值成比例的直流（d.c.）电压。将它与固定的d.c.参考电压相比较，并动态地调整接收机的增益，以减少参考电压与输出直流电压的差值。

由于AGC对输出电压在短时间，大的波动敏感的话会给接收机的增益带来大的误差，为了对这样的波动无感应，则使用输出电压的平均峰值。例如，根据条型码扫描器所接收的信号，有可能包含着挨着扫描条型码包装材料的反射光所产生的不希望有的输出偏差，如果读取输出的平均峰值，AGC对于这些不希望存在的信号就不敏感了。在最不利的情况下，为了正确地决定接收机的输出的平均峰值，直至达到AGC有稳定状态的增益设定，就有必要读取数个周期的输入信号。在某些情况下，AGC为了得到最终的合适的接收机的增益设定，不得不花费很长时间。

对于给定的输入，AGC要达到稳定状态所需要的时间称为“起动时间”。但是，在接收机只有单一的反馈电路时，要缩短AGC回路的起动时间，稳定状态输出信号的振幅误差就会增大。按照传统，设计者承担AGC的设计，提高精度和缩短起动时间相互矛盾的。这样的设计结果，为了满足系统所要求的精度，AGC就变成为低速的了。

AGC感应时间除受起动时间限制以外，还受到输出信号内存在有大的低频成分的限制。要担心大的低频成分会使输出放大器饱和。输出放大器一饱和，由于接收机设定增益，使用的输出信号的高频成分就被限幅（切去）。从而AGC的增益设定动作就无法实现。在极端的情况下，输出放大器的饱和给接收机的增益设定带来很大的误差，因而，要担心扫描记号的译码失败。

鉴于如述典型的AGC回路的特征及限制，使接受机达到稳定状态的响应时间趋于恶化，强烈希望能有一种能迅速调整接收机的总增益的AGC回路。因而，本发明的目的就在于提供一种自动增益回路，使得能在很短的时间内解调信号。

本发明着眼在条型码扫描系统的接收机的总增益能动态调整的自动增益控制回路。本自动增益控制回路，能使接收机在很短的时间内提供可能的解码信号，随之，接收机的响应时间能得到改善，从而，接收机的总增益得到迅速地调整。为了能得到迅速的调整，本自动增控制电路包括有另外的反馈电路，它接在接收机的末端放大器前面配置的放大器上。此放大器的输出与接收机的末端输出表示同样的目标条型码的接收信号，但振幅比末端输出小。

接收机的附加反馈电路的起动时间是几乎可以忽略不计的，可调整推测接收机的稳定状态增益应有的形态，因而改善接收机的增益的调整速度。另外，附加反馈电路也感应使AGC的电子部件初期化而使用的d.c.信号。AGC-接近稳定状态，附加的反馈电路就开始从AGC上断开，由此，由接收机输出的主反馈电路就能正确地对接收机的增益进行微调。

以下将详细说明，由于本发明的AGC回路改善了AGC感应时间，对于与由扫描器到条型码的距离，在扫描器视野内存在的周围光的强度，以及扫描信号条型码记号的性质等诸因素有关的接收机的响应时间也得到更大的改善。除AGC响应时间的改善之外，本发明的AGC回路在不牺牲精度的基础上，更有效地动态调整接收机的总增益。

图1    是为控制激光扫描系统接收机的增益而使用的一般的自动增益控制回路10的框图。这个框图表示出在输入信号（VIN）与输出信号（VOUT）间只有单一的反馈电路。接收机至少具有分离的三级放大器16、18及20。AGC的动作不受接收机中使用的放大器的级数的限制。所用放大器的级数依赖于使用的各级放大器的极限增益以及根据用途要求定的接收机的最大增益。放大器18的电压增益K1，及放大器20的电压增益K2分别是固定的，只有放大器16的电压增益K（Vg）是可变的，它受到误差电压信号22（Vg）的控制。

输出信号14用反馈电路来检测，反馈电路包括高通滤波器24、整流器26、峰值检测器28、以及误差放大器30（增益为K3）几个部分。此AGC回路具有以下功能：接收机的输出信号14通过高通滤波器滤波以后，滤去了其中的低频成分，正是这些低频成分妨碍接收机的增益得到适当的调整（由于扫描器周围环境的光线也被接收为信号混在其中的原因）。高通滤波器的输出包含着被扫描的条型码的信号的交流成分（a.c.）。此信号经半波整流器26进行半波整流。构成峰值检测器28的是AGC电容器34。整流器26的输出对电容器34进行充电。AGC电容器34处于稳定状态时，其充电电压是与接收信号的峰值平均振幅成正比的直流电压32。AGC的起动时间决定于AGC电容器的充电速度，而充电速度是由高通滤波器24的输出阻抗和截止频率决定的。使通过滤波器24的信号量最大，可以缩短AGC起动时间，但要牺牲其精度。起动时间的缩短可以通过降低滤波器24的截止频率及降低输出阻抗来达到。

根据AGC电容器34上存在的平均峰值电压信号与固定的参考电压36（Vr），例如可以固定为1.2伏直流电压，通过放大器30进行比较，就可动态的发生自动增益控制动作。本质上，放大器16的增益决定着接收机的总增益，这个调整是通过放大器30使电压信号36和32的电压差值成为最小值得到。表示此电压差的偏差电压信号22由放大器30输出，用偏差电压信号22来控制放大器16的反馈电路38的阻抗。为了调整增益值，将偏差电压信号22输入晶体管40输入端，利用场效应晶体管40的特性，动态地控制其漏极42和源极44之间的阻抗。这个可以控制的阻抗并联在反馈电路38内的电阻46上，从而，可以改变放大器16的增益k（Vg）。用偏差电压信号22来自动的调整放大器16的增益，至于采用什么方法都是可以的。例如本实施例中，使用的是作为电压控制电阻动作的JFET（结型场效应晶体管）。使用其它型号的晶体管或者集成电路也可以得到同样的增益调整。使放大器30的输入存在的电压差为最小值，以此来调整输出信号14为一定的振幅。由于这样的结构形式，使得输出信号14不受输入信号12变动的影响。

虽然已有的技术AGC回路10是极正确的，但要使输出信号14达到这个稳定状态值就需要输入信号12的许多周期。如前所述，这就成为反馈电路内的AGC电容器34充电速度慢的原因。因而，AGC对调整接收机为适当的增益，就要花费较长的时间。

图2    是本发明的自动增益控制回路100的方框图。如图所示，其第一个循环110本质上和图1所示的是完全相同的AGC回路及接收机，为识别同一成分标上同样的参照号码。回路100中值得注意的特点在于第2个循环70，这个循环用来检测放大器18的输出信号。这个附加的反馈为改善AGC的响应时间提供两种功能。第一个功能是这个循环用参考电压50（通过加法电路53）来感应直流电压，使用这个直流电压使AGC电容器34初期化充电。这个电压给放大器30在其线性区域内加一偏置电压，还有使晶体管40偏置于这个阈值电压附近。电容器34初期化后在此电压基础上变化就能改变接收机的增益，实质上排除了AGC的“不感应时间”。

这个循环提供的第二个功能是用放大器18的输出（通过加法电路53）给AGC的电容34充电。放大器18的输出没有进行滤波，电容器34可以无视起动时间进行充电。这个循环可以使接收机以极高的速度推定最后的增益状态。

这个循环70带来的附加优点是放大器18的输出52的幅度比输出14小，即使接收机14的最后输出达到饱和时信号52也没有被限幅，因而能较好表示出接收信号12。在大的低频周围信号接收后末端输出14达到饱和的情况下，使用信号52使接收机的增益下降，因而使放大器20由饱和得到恢复。

在AGC电容器34上与第一反馈循环110一起又加上第2反馈循环70，在不降低稳定状态增益设定的精度的条件下，改善了AGC的回路100的总响应时间。由于接收机的增益达到稳定状态前，第2循环70从AGC电容器34自动断开，精度不受影响。AGC电容器34上的电压-增加，接收机的增益下降，使得放大器18的输出52的信号幅度减小，第2循环没有使增益设定受到影响。由于AGC-达到稳定状态，AGC电容器34上的电压就被二极管54（D）断开的缘故，第2反馈循环70就从AGC上断开。二极管54的截止点对应于当它比稳定状态只高出放大器20的增益K时接收机的增益的这一点。实际上，高速循环70，能在K的误差范围内，推定接收机的增益应有的状态。一旦第2循环70从AGC电容34断开之后，就由第1循环110对接收机的增益进行微调。

图3    是自动增益控制回路100的另一实施例。在这个实施例中，由电容器56和电阻58组成为第2循环120内的高通滤波器，只有第2级输出信号52的交流成分输给AGC的电容器34上。任意选择，用电阻99由参考电压50对AGC电容器34进行初期化充电也可以。初期化电压的大小由电阻99和58的组成的分压电路来决定。电容器56和电阻58的组成原则是使其得到的截止频率远比第1循环110内使用的高通滤波器24的截止频率低得多，按此原则来选择电容器56和电58的值。由第2循环120中的高通滤波器滤波，只用第2级输出信号52的交流成分加在AGC电容器34上的电压作为其初期化充电。

图2    详细表示的AGC回路对应的自动增益控制回路100的详细电路图如图4所示。图4的输入电压信号是由反向偏置的光电二极管60即接收机的光电传感器部分得到的电压信号经放大后而获得的。光电二极管60作为光控制电流源而动作。光电二极管60的输出电流加在接收机的放大器62上，并在放大器的输出端显示负电压。接收机表示为由5级增益不同的运算放大器组成放大器串联电路。由于各级具有几乎相同的高频及低频特性曲线的斜率，各自约在27KHz及230Hz有高通及低通的3db点，得到敏锐的带通滤波器。高通滤波使用交流连接用的电容器71，以达到各级放大器的交流连接。交流连接用电容器71阻止输入信号12的直流成分通过、也阻止由扫描视野内带来的低频波动。低通滤波使用电容器72与各级放大器的反馈电阻并联组成。对放大器的总增益进行动态调整，对应于图2所示的放大器20，这里为放大器66的输出峰值波形维持在约为4V。如前所述，这个动态调整是靠放大器64的反馈电路内使用JFET晶体管40作为电压控制可变电阻来达到的。晶体管40的源极44和漏极42间的电阻，从而决定放大器64的增益受到加在栅极43上的误差电压信号22的控制。这个误差值决定于放大器30放大的电压，即放大器30放大了输出信号14经整流、滤波后的交流成分和固定的参考电压36的差值而得的电压。

图2    所示的高通滤波器24的组成成分在图4中用电容器74和电阻76表示。使用电阻89是为了限制高通滤波器的输出阻抗。在图1，2及3中所示的峰值检测器28的AGC电容器34与电阻78和80共同记忆放大器66稳定状态输出电压14的平均峰值32。希望引起注意的是由电阻78及80形成AGC电容器34的放电电路，因而决定着自动增益控制的衰减时间。通常这些电阻值都极大，一般都以兆欧为单位。

AGC回路的第2循环（图2中的AGC回路100）包含分压电阻82及84和二极管54。如前所述，这个电路的使用是为了能迅速地将直流电压记忆在AGC电容器34上。此直流电压是由放大器18在图4中即放大器65的输出上存在的直流偏置电压引出来的。而此偏置直流电压是由放大器65的输入的参考电压50得到的。在电容器34上记忆的初期电压使放大器30的输出偏置在晶体管40的阈值电压附近点，因此，实质上排除了AGC的“不感应时间”。由于放大器65输出的交流成分也对AGC电容器34进行充电，因而改善了AGC的响应时间。放大器65的输出与接收机输出信号14是反相的（相差180°），这也改善了响应时间。这是由于这个相位差使得由放大器65和66的输出所表示的输入信号12，以正的振动和负的振动共同对AGC电容器34进行充电的缘故。

图4    所示的本发明实施例的无源部件，有源部件的值、以及接收机内放大器的总数，请注意美国纽约州的“Symbol    Technologies”公司制的LS2000激光扫描系统，它能合适地满足特定系统所提出的要求。本发明的原理与教授，对于激光扫描系统中使用的任何接收机装置都能够采用和适合。

本发明在图5所示的手提式激光扫描条型码读取装置中也能够得以实现。作为一个理想的实施例，读取装置200是手枪型装置，它具有手柄153和可动板机154，让枪筒对准要读取的记号，扣动板机，光束151及检测回路就开始投入工作，因此，如果装置是内藏电池型，可以延长电池的使用寿命。轻型塑料壳155内，装入激光光源、检测器158，光路及信号处理电路、中央处理装置CPU140以及电源即电池162等。外壳155的前端设置有透光性的窗口156，输出光束151一射出来，反射光束152就有可能进入窗口。这个读取装置200设计成与记号离开一定的距离（即对于记号是非接触式的）。或对记号没有横向运动的瞄准条型码的装置。典型的例子，这种型号的手提式条型码读取装置在大约在数英寸范围内操作，指定对记号作每秒36次的扫描。

图5    所示，扫描光束聚焦在适当的参考面上的条型码记号上，使用适当的透镜157来进行聚焦（或者是多个透镜系统）。为了使光束射到透镜157的光轴上，调整并决定半导体激光二极管光源146的位置。光束通过半面可透光透镜147及其他透镜或者通过光束形成装置，扣动板机154时接通扫描用电动机160，扫描电机上安装有扫描镜159，光束射到扫描镜159上。如果光源146所产生的光是不可见光，则可以用光学系统来瞄准，假如有必要，可以将瞄准光固定下来。或者产生与激光光束同样的可见光扫描。使用可见光，使用者可以在扣动板机前，用读取装置来瞄准记号。

以上就本发明涉及到线形条型码或者单线条型码方面作了说明，但本发明不仅仅限于这类的实施例，还可以适用于比较复杂的扫描图案，或者“标记49”以及类似的重叠型条型码记号，或者是其他二维条型码记号也可以适用。还可以考虑应用本发明的方法来识别如文字那样的其他印记，或者感应扫描物体表面的特征的信息，以此作成各种视觉机器，或者光学文字识别用装置。

以上各种实施例的完成，由于扫描器的元件可以组装在极精密的插件内，因此，扫描器可以制造成单块印刷电路板或者装成一体化的微型组件。这样的微型组件可以在各种不同型号的数据采集系统中作为激光扫描部件互换使用。例如，微型组件可以在上述手提式扫描器中使用，装在柔性的手柄内，或者将桌子表面延伸，精心安装在其中，或安装在工作台顶端的下侧面，或者将比较精致的数据采集系统的附件或附属组装体安装在工作台顶端扫描器内使用都是可以的。

微型组件最好包括以下部分，即包括安装在支架上的激光/光学组装体、旋转镜或往复运动镜等扫描用元件、光检测部件等。为了能把微型插件和数据采集系统的其他部件的电路连通，可以在微型插件的端部或外面安装插头，将控制线或数据线连接在插头上，以便与系统的其他部件的插座连接。

各微型插件各自有特定的扫描特性或者译码特性，也可以用于某一作业距离，或者对特定的记号或印刷密度进行识别。这些特性，可以用插件附属的控制开关手动设定，使用者为了对不同类型的物品进行扫描可以采用不同的数据采集系统，也可以通过使用电插头交换数据采集系统的微型插件使系统适用于不同的应用范围。

通过以上说明，扫描微型插件将在数据采集系统内实现是可能的，称为内藏型数据采集系统。微型插件包括1个或1个以上的键盘、显示器、数据储存器、应用软件以及数据库等部件。这样的系统包括加入调制解调装置或者ISDN接口，或者可动的终端装置到静止的接收机之间用低功率无线电发送，可以让数据采集系统和场（院）内的通讯网的其他部分进行通讯的通讯接口。

综合以上所述各种特征的2个或2个以上的特征，应用于其他类型的扫描器或者是应用于读取与上述不同的条型码装置都是有用的，这是显而易见的，以上就令人满意的实施例对本发明作了说明，实业家可以不脱离本发明的范围而能改变形状及局部，这也是很明显的。

图的简要说明

图1    为现有的自动增益控制回路的方框图。

图2    为本发明的自动增益控制回路的方框图。

图3    为本发明的自动增益控制回路的第2实施例的方框图。

图4    为本发明的自动增益控制回路的线路图。

图5    为激光扫描枪简图。

符号说明

10    以前的自动增益控制回路

12    输入信号（VIN）

14    输出信号（VOUT）

16、18、20、放大器

22    误差电压信号（Vg）

24    高通滤波器

26    整流器

28    峰值检测器

30    误差放大器

32    平均峰值电压

34    AGC电容器

36    参考电压（Vr）

38    反馈

40    晶体管

42    漏极

43    栅极

44    源极

46、58、76、78、80、82、84、89、99电阻

50    直流参考电压

52    放大器18的输出信号

53    加法电路

54    二极管

56、72、74电容器

60    光电二极管

62、63、64、65、66放大器

70、120第2反馈循环

71    联接用电容

100    本发明的自动增益控制回路

110    第1反馈循环

140    CPU中央处理装置

146    光源

147    半面透光透镜

151    光束

152    反射光

153    手柄

154    扳机

155    外壳

157    透镜

158    检测器

159    扫描镜

160    扫描用电动机

162    电池

200    读取装置

Claims (15)

1、包含有工作增益装置且能使目标反射出光产生信号的光学装置的接收机和有能动态调整工作增益的自动增益控制回路，组成在能对上述目标进行反复扫描的扫描装置中，其特征在于自动增益控制回路包括：

能检测信号并对上述工作增益进行自动调整的接收机中的第一反馈线路装置及

能检测上述同一个信号并改善上述工作增益的调整速度的接收机中的第二反馈线路装置。

2、根据权利要求1所记载的自动增益控制回路，其特征在于第2反馈线路装置有能使上述工作增益在达到稳定状态值为止前降低工作增益的装置。

3、根据权利要求1所记载的自动增益控制回路，其特征在于第1反馈线路包括以下装置：把表示目标反射的光强度的接收机输出信号进行滤波后提供交流成分的滤波装置以及

将上述交流成分整流后求取平均峰值电压信号的整流装置以及

连结在整流装置上并将上述平均峰值电压信号的值保持下来的峰值检测装置。

4、根据权利要求3所记载的自动增益控制回路，其特征在于第2反馈电路包含有能缩短获得平均峰值电压信号所需要时间的装置。

5、根据权利要求4所记载的自动增益控制回路，其特征在于包含有对平均峰值电压信号与固定的参考电压的电压差所表达的偏差电压信号进行偏差修正的装置及

使上述偏差电压信号变为最小而动态调整接收机增益的调整装置。

6、根据权利要求5所记载的自动增益控制回路，其特征在于它包含有让第2反馈电路与第1反馈电路相互绝缘的绝缘装置，由于第2反馈电路的偏差修正装置的输入端与第1反馈电路是共同的原因，因此在接收机的增益达到稳定状态时需要将第2反馈电路与第1反馈电路相互绝缘。

7、根据权利要求6所记载的自动增益控制回路，其特征在于第2反馈电路包含对偏差修正电路的输入进行初期化修正的装置，其原理是利用与从目标反射光得到的信号无关的固定直流电压。

8、根据权利要求6所记载的自动增益控制回路，其特征在于接收机至少包含第1、第2、及第3三级串联的放大器、第一反馈电路检测上述第3级放大器的输出，第2反馈电路检测上述第2级放大器的输出，第2级放大器接在第1级放大器和第3级放大器之间。

9、根据权利要求8所记载的自动增益控制回路，其特征在于其第1级放大器具有可变增益控制。

10、根据权利要求9所记载的自动增益控制回路，其特征在于第1滤波装置是高通滤波器。

11、根据权利要求10所记载的自动增益控制回路，其特征在于第1级放大器是运算放大器，它包含有由电压控制来改变电阻的调整装置。

12、根据权利要求11所记载的自动增益控制回路，其特征在于电压控制改变电阻的装置是场效应晶体管。

13、根据权利要求12所记载的自动增益控制回路，其特征在于绝缘装置是半导体二极管。

14、根据权利要求13记载的自动增益控制回路，其特征在于第3级放大器的输出和第2级放大器的输出提供相位相反的输出信号。

15、根据权利要求14所记载的自动增益控制回路，其特征在于其第1、第2、及第3级互相串联的放大器是用电容器串联耦合的。

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